«Ανάπτυξη συστήματος αναγνώρισης των φύλλων φυτών» (Development of a plant leaf classification system)

ΤΕΙ ΑΝΑΤΟΛΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΚΑΙ ΘΡΑΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ Τ. Ε. «Ανάπτυξη συστήματος αναγνώρισης των φύλλων φυτών» (Development of a plant leaf classification system) ΚΟΓΙΟΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΑΕΜ 1788 ΤΕΛΙΟΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΑΕΜ 837 Επιβλέπων Καθηγητής Δρ. Γεώργιος Α. Παπακώστας Καβάλα 2015

Περιεχόμενα Περίληψη...3 Abstract... 4 Πρόλογος...5 Κεφάλαιο 1 : Η ποικιλομορφία των φυτών και η ανάγκη διαχωρισμού τους...6 1. 1 Εισαγωγή... 6 1. 2 Στοιχεία σχετικά με τη μορφή και τη μορφολογία των φυτών... 8 1. 3 Προσαρμογές που επιτρέπουν τη μετακίνηση προς την ξηρά... 9 1. 4 Χαρακτηριστικά προέλευσης των φυτών...10 1. 5 Εναλλαγή γενεών και πολυκύτταρων εμβρύων...10 1. 6 Πολυκύτταρα γαμεταγγεία... 12 1. 7 Ακραία μεριστώματα... 13 1. 8 Διαιρέσεις του φυτικού βασιλείου [1]...14 1. 8 Φυτά με σπόρους...15 1. 9 Φυτά με αγγεία... 20 1. 10 Ονόματα Φυτών...22 Κεφάλαιο 2: Εισαγωγή στην αναγνώριση φυτών από τα φύλλα...23 2. 1 Βασικοί ορισμοί...23 2. 2 Γενικά για τα φύλλα...23 2. 3 Μελέτη και ανάλυση διάφορων μεθόδων αναγνώρισης φύλλων φυτών... 30 2. 4 Ανάπτυξη διαφόρων μεθόδων εξαγωγής χαρακτηριστικών διάκρισης των φύλλων... 37 Kεφάλαιο 3: Περιγραφή λογισμικού που αναπτύξαμε... 46 3. 1. Γενικά για την υλοποίηση λογισμικού... 46 3. 2 Ανάπτυξη κατάλληλης βαθμίδας ταξινόμησης (k-nn, neural classifier, κ. α. )...46 Κεφάλαιο 4: Μελέτη απόδοσης της μεθοδολογίας σε διάφορα σύνολα δεδομένων (benchmark datasets)... 62 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 64 Βιβλία και επιστημονικά άρθρα... 64 Χρήσιμοι Σύνδεσμοι...67 2

Περίληψη Τα φυτά παρουσιάζουν μεγάλη ποικιλομορφία. Επομένως, η διαδικασία ταξινόμησής τους είναι ιδιαίτερα πολύπλοκη. Τα τελευταία χρόνια πραγματοποείται αναγνώριση των φυτών από τα φύλλα τους. Υπάρχουν αρκετές μέθοδοι αναγνώρισης των φυτών από τα φύλλα. Στην παρούσα πτυχιακή εργασία μελετήθηκαν και αναλύθηκαν τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των μεθόδων αναγνώρισης φύλλων φυτών και των αλγορίθμων ταξινόμησης. Έτσι λοιπόν καταλήξαμε στην εξαγωγή χαρακτηριστικών με τη μέθοδο PCA και στην ταξινόμηση με τον αλγόριθμο PNN τα οποία υλοποιήθηκαν με τη χρήση του Matlab Graphical User Interface Development Environment (MATLAB GUI). 3

Abstract Plants are very diverse. Thus, the classification process is very complex. In recent years, there is an increased interest in identifying plants by their leaves. There are several methods for identifying plants from leaves. This thesis studied and analyzed the advantages and disadvantages of methods to identify plant leaves and sorting algorithms. So we ed up in the feature extraction with the PCA method and the classification by the PNN algorithm, which were implemented using Matlab Graphical User Interface Development Environment (MATLAB GUI). 4

Πρόλογος Στις μέρες μας είναι πολύ εύκολο να γίνει αναγνώριση των φυτών από τα φύλλα χωρίς να απαιτούνται ιδιαίτερες γνώσεις του αντικειμένου, χάρη στα διάφορα λογισμικά που δίνουν την δυνατότητα στον χρήστη να κάνει την αναγνώριση εύκολα και γρήγορα. Στόχος της παρούσας πτυχιακής εργασίας, είναι η ανάπτυξη και μελέτη διαφόρων μεθόδων αναγνώρισης των φυτών από τα φύλλα τους. Στο πρώτο κεφάλαιο της πτυχιακής μελετάται η ποικιλομορφία των φυτών και η ανάγκη διαχωρισμού τους. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται εισαγωγή στην αναγνώριση φυτών από τα φύλλα και αναπτύσσονται μέθοδοι αναγνώρισής τους. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται περιγραφή λογισμικού που αναπτύξαμε. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται, μελέτη απόδοσης της μεθοδολογίας σε διάφορα σύνολα δεδομένων (benchmark datasets). 5

Κεφάλαιο 1 : Η ποικιλομορφία των φυτών και η ανάγκη διαχωρισμού τους. 1. 1 Εισαγωγή Για περισσότερα από τα πρώτα τρία δισεκατομμύρια έτη της ιστορίας της γης στην επίγεια επιφάνεια δεν υπήρχε ζωή1. Πριν από περίπου 1, 5 δισεκατομμφρια χρόνια εμφανίστηκαν τα κυανοβακτήρια2. Πριν 500 εκατομμύρια χρόνια πριν εμφανίστηκαν στη Γη μικρά φυτά, μύκητες και ζώα. 3 Τα πρώτα συστήματα ταξινόμησης είχαν μόνο δύο βασίλεια:το φυτικό και το ζωϊκό [1]. Το 1894 ο Ernst Haeckel προσέθεσε ένα ακόμα βασίλειο για τους μονοκύτταρους οργανισμούς, τους Protists [1]. Το 1969, ο Robert Whittaker ξεχώρισε τα βακτήρια (κύτταρα χωρίς πυρήνα) από τους Protists σε ένα νέο βασίλειο τους Moneras [1]. Την ίδια εποχή, διαχώρισε το βασίλειο των μυκήτων από το φυτικό βασίλειο, για ένα σύνολο πέντε βασιλείων [1]. Το 1977 ο Carl Woese αντικατέστησε το βασίλειο των Moneras με δύο διακριτά βασίλεια βακτηρίων - τα Archaeabacteria και τα Eubacteria για ένα σύνολο έξι βασιλείων [1]. Ωστόσο, έρευνες απέδειξαν ότι το φυτικό, το ζωϊκό και το βασίλειο των μυκήτων μοιράζονταν την ίδια κυτταρική δομή με τους Protists και ότι όλα ανήκν στο ίδιο σύνολο [1]. Ως εκ τούτου, το 1990 Woese εισήγαγε το σενάριο των τομέων (domains) που υπερέχουν τα βασίλεια [1]. Έτσι λοιπόν ομαδοποίησε τα φυτά, τα ζώα, τους μύκητες και τους Protists στο νέο τομέα των Ευκαρυωτών (Eukarya domain) [1]. Εικόνα 1. 1 Protists http://kdhellner. tripod. com/id14. html https://www. youtube. com/watch?v=sbezmo85pzc https://www. youtube. com/watch?v=sbezmo85pzc 3 https://www. youtube. com/watch?v=sbezmo85pzc 6

Εικόνα 1. 2 Βακτήρια http://www. paratiritis-news. com/2012/05/11/%ce%b9%ce%b1%cf%80%cf%89%ce%bd%ce%af%ce%b1- %CF%86%CF%84%CE%B9%CE%AC%CF%87%CE%BD%CE%BF%CF%85%CE%BD- %CF%84 %CE %BF%CF%85 %CF%82- %CF%85 %CF%80 %CE %BF%CE%BB %CE %BF%CE %B3 %CE%B9 %CF%83 %CF%84 %CE %AD %CF%82- %CF%84/ Τα δύο βασίλεια των βακτηρίων εισήχθησαν στη νέα κατάσταση ως επιμέρους τομείς [1]. Η ποικιλομορφία των φυτών μπορεί να ποικίλει από αραιά και ανομοιογενή δάση με φυλλώδη δέντρα μέχρι πλούσια και παραγωγικά σε υγρά λιβάδια και παραποτάμιες ζώνες [2]. Η δομή της βλάστησης σε κάθε τοποθεσία μπορεί να επηρεαστεί από την τοπογραφία, τη γεωλογία, τα εδάφη, την υδρολογία, τη χρήση της γης και το ιστορικό των διαταραχών αυτής και το ιστορικό της διασποράς, της δημιουργίας, της ανάπτυξης και της επιβίωσης της αφθονίας των ειδών σε κάθε τοποθεσία [2]. Δε θεωρείται τυχαίο το γεγονός ότι γενικευμένες τεχνικές κάποιες φορές αποτυγχάνουν για συγκεκριμένους σκοπούς και χαρακτηριστικές τοποθεσίες ή το ότι συγκεκριμένες τεχνικές μπορεί κάποιες φορές να αποτυγχάνουν για διάφορα είδη βλάστησης και για γενικές εφαρμογές [2]. Υπάρχουν μερικές γνωστές δυσκολίες στη μελέτη της ποικιλομορφίας των φυτών, όπως ταξινομικές διαφορές, διαφορές στη φαινολογία και προβλήματα σχετικά με τη σπανιότητα των ειδών [2]. Αυτές οι δυσκολίες αποτελούν συχνά απτρεπτικό παράγοντα για πτυχιούχους φοιτητές και νέους οικολόγους. Δε θα έπρεπε όμως [2]. Θα πρέπει να αντιμετωπίζονται ως προκλήσεις με πολλές πιθανές λύσεις [2]. Από τότε που εμφανίστηκαν στη Γη, τα φυτά έχουν διαφοροποιηθεί/ταξινομηθεί σε περίπου 290. 000 είδη4. Πιο συγκεκριμένα, τα φυτά της ξηράς έχουν εξ'ορισμού επίγειους https://www. youtube. com/watch?v=sbezmo85pzc 7

προγόνους ακόμα και αν μερικά είναι τώρα φυτά του νερού5. Επιπλέον, στα φυτά της ξηράς δεν περιλαμβάνονται τα φωτοσυνθετικά φύκια6. Αντιθέτως, τα πράσινα φύκια ονομάζονται χαρόφυτα (charophytes) και είναι οι κοντινότεροι συγγενείς των φυτών της ξηράς καθώς έχουν κάποιους κοινούς προγόνους με τα φυτά της ξηράς7. Εικόνα 1. 3 Χαρόφυτα http://www. teara. govt. nz/en/photograph/11620/charophyte Τα φυτά προμηθεύουν οξυγόνο και αποτελούν κύρια πηγή τροφής των ζώων της ξηράς8 1. 2 Στοιχεία σχετικά με τη μορφή και τη μορφολογία των φυτών Πολλά χαρακτηριστικά των φυτών της ξηράς εμφανίζονται σε μια ποικιλία φυτών που ανήκουν στην κατηγορία των φυκιών9. Ωστόσο, τα φυτά της ξηράς μοιράζονται τέσσσερα βασικά χαρακτηριστικά μόνο με τα χαρόφυτα10: Δακτυλίους συμπλόκων σελλουλόζης Ένζυμα τύπου Peroxisome Δομή μαστιγωτού σπέρματος Ευθυγράμμιση κυτοσκελετικών στοιχείων με κυστίδια Golgi-προέλευσης κατά μήκος της μεσαίας γραμμής του δαιρούμενου κυττάρου (Σχηματισμός ενός phragmoplast) https://www. youtube. com/watch?v=sbezmo85pzc https://www. youtube. com/watch?v=sbezmo85pzc https://www. youtube. com/watch?v=sbezmo85pzc https://www. youtube. com/watch?v=sbezmo85pzc https://www. youtube. com/watch?v=sbezmo85pzc 0 https://www. youtube. com/watch?v=sbezmo85pzc 8

Εικόνα 1. 4 phragmoplast http://en. wikipedia. org/wiki/lphragmoplast 1. 3 Προσαρμογές που επιτρέπουν τη μετακίνηση προς την ξηρά Στα χαρόφυτα υπάρχει ένα στρώμα ανθεκτικού πολυμερούς που ονομάζεται sporopollenin προστατεύει τα εκτεθειμένα ζυγωτά από την ξηρασία11. Το sporopollenin εντοπίζεται επίσης και στα τοιχεία των σπόρων12. Η μετακίνηση προς την ξηρά των προγόνων των χαροφύτων παρείχε μη- φιλτραρισμένο ήλιο, περισσότερο διοξείδιο του άνθρακα, χώμα πλούσιο σε θρεπτικά συστατικά και λίγα φυτοφάγα ή παθογόνα13. Στην ξηρά τα χαρόφυτα ήρθαν αντιμέτωπα με ανεπάρκεια νερού και έλλειψη δομικής υποστήριξης14. Η συλλογή των χαρακτηριστικών που διευκόλυναν την επιβίωση στην ξηρά οδήγησε στη μόνιμη εγκατάσταση των φυτών σε αυτήν15. Υπάρχει μια διαφωνία ανάμεσα στους επιστήμονες σχετικά με τα όρια του φυτικού βασιλείου16. Μερικοί βιολόγοι ισχυρίζονται ότι το φυτικό βασίλειο πρέπει να περιλαμβάνει μερικά ή και όλα τα είδη πράσινων φυκιών ενώ άλλοι πως όχι17. Μέχρι να λυθεί αυτή η διαφωνία στα φυτά θα δοθεί ο ορισμός εμβρυόφυτα, δηλαδή φυτά που έχουν έμβρυα18. https://www. youtube. com/watch?v=sbezmo85pzc https://www. youtube. com/watch?v=sbezmo85pzc https://www. youtube. com/watch?v=sbezmo85pzc ' https://www. youtube. com/watch?v=sbezmo85pzc https://www. youtube. com/watch?v=sbezmo85pzc https://www. youtube. com/watch?v=sbezmo85pzc https://www. youtube. com/watch?v=sbezmo85pzc https://www. youtube. com/watch?v=sbezmo85pzc 9

1. 4 Χαρακτηριστικά προέλευσης των φυτών Υπάρχουν τέσσερα βασικά χαρακτηριστικά προέλευσης όλων σχεδόν των φυτών της ξηράς τα οποία δεν τα έχουν τα χαρόφυτα19: Εναλλαγή γενεών και πολυκύτταρων εμβρύων Σπόροι με τοιχεία που παράγονται στα σποραγγεία Πολυκύτταρα γαμεταγγεία Ακραία μεριστώματα 1. 5 Εναλλαγή γενεών και πολυκύτταρων εμβρύων Τα φυτά εναλλάσονται μεταξύ δύο πολυκύτταρων σταδίων, έναν αναπαραγωγικό κύκλο που ονομάζεται εναλλαγή των γενεών0. Το γαμετόφυτο είναι απλοειδές και παράγει απλοειδείς γαμέτες με τη διαδικασία της μίτωσης21. Η συγχώνευση των γαμετών οδηγεί στη δημιουργία του σπορόφυτου (sporophyte) το οποίο είναι διπολοειδές22. Το σπορόφυτο παράγει απλοειδείς σπόρους με τη διαδικασία της μείωσης23. Το διπλοειδές αυτό έμβρυο διατηρείται μέσα στον ιστό του θηλυκού γαμετόφυτου24. Τα θρεπτικά συστατικά μεταφέρονται από το φυτό-γονιό στο έμβρυο μέσω πλακούνηων κυττάρων μεταφοράς (placental transfer cells). 25 Τα φυτά της ξηράς καλούνται εμβρυόφυτα εξαιτίας της εξάρτησης του εμβρύου από το φυτό-γονιό26. https://www. youtube. com/watch?v=sbezmo85pzc ' https://www. youtube. com/watch?v=sbezmo85pzc https://www. youtube. com/watch?v=sbezmo85pzc https://www. youtube. com/watch?v=sbezmo85pzc https://www. youtube. com/watch?v=sbezmo85pzc ' https://www. youtube. com/watch?v=sbezmo85pzc https://www. youtube. com/watch?v=sbezmo85pzc https://www. youtube. com/watch?v=sbezmo85pzc 21 10

Εικόνα 1.5Gametofit-Sporofit http://budisma. net/2014/09/perbedaan-antara-sporofit-dan-gametofit. html Εικόνα 1. 6 Σπόροι με τοιχεία που παράγονται στα σποραγγεία (Προεκβολές) http://www. slideshare. net/cgotzar/ss-31780628 11

1. 6 Πολυκύτταρα γαμεταγγεία Οι γαμέτες παράγονται με ειδικά όργανα που ονομάζονται γαμεταγγεία. ^^Τα θηλυκά γαμεταγγεία ονομάηονται αρχεγόνια, παράγουν αυγά και αποτελούν το χώρο γονιμοποίησης. 28 Τα αρσενικά γαμεταγγεία, ονομάζονται αν&ερίδια παράγουν και απελευθερώνουν το σπέρμα2 Female gametophyte / Archegonium ^.with egg Λ V Antheridium with sperm ί»' 2 ;? Male V / gametophyte^ Archegonia and antheridia of Marchantia (a liverwort) Εικόνα 1. 7 Αρχέγονα και Ανθερίδια http://imgarcade. com/1/liverwort-antheridia/ https://www. youtube. com/watch?v=sbezmo85pzc https://www. youtube. com/watch?v=sbezmo85pzc https://www. youtube. com/watch?v=sbezmo85pzc 12

1. 7 Ακραία μεριστώματα Εικόνα 1. 8 Ακραία μ^ριστρώματα http://www. google. gr/imgres?imgurl=http://media-1. web. britannica. com/eb-media/99/5599-004-d6c19960. jpg&imgrefurl=http://www. britannica. com/ebchecked/topic/29628/apicalmeristem&h=300&w=600&tbnid=p1r_6tlknrt14m:&zoom=1&docid=s4ay_gh6_d2upm&ei=1a4ivftlmoli asm UgqAM&tbm=isch&ved=0CCEQMygBMAE&biw=1366&bih =643 0.25 mm Εικόνα 1. 9 Φυτικοί Ιστοί http://biology4isc. weebly. com/plant-tissues. html 13

Πρόσθετα χαρακτηριστικά προέλευσης είναι:30 Το υμζνιο (cuticle), ζνα κζρινο κάλυμμα τθσ επιδερμίδασ των φυτών, Τα μυκόρριζα (mykorrhizae), συμβιοτικούς συνδέσμους ανάμεσα στα φυτά της ξηράς και τους μύκητες, τα οποία έχουν βοηθήσει φυτά που δεν έχουν ρίζες να αποκτήσουν θρεπτικά συστατικά Δευτερεύοντα συστατικά τα οποία αποτρέπουν φυτοφάγα ζώα και παράσιτα 1.8 Διαιρέσεις του φυτικού βασιλείου [1] Εικόνα 1. 10 Διαιρέσεις του φυτικού βασιλείου http://dtc. pima. edu/blc/182/lesson6/6step3/6step3page1. h t^ Τα πιο απλά μέλη του φυτικού βασιλείου είναι τα βρύα, το κερατόφυλλο το υποβρύχιο και η ηπατήτις [1]. Τα φυτά αυτά αναπαράγονται με σπόρους και είναι περιορισμένα σε μέγεθος διότι δεν έχουν αγγειακό σύστημα για να μεταφέρουν νερό και θρεπτικά συστατικά [1]. Τα φυτά αυτά λέγονται αλλιώς βρυόφυτα και δεν αποτελούν μονοφυλετικό σύνολο [1]. Επιπλέον δεν έχουν ανακαλυφθεί ούτε σχέσεις μεταξύ τους ούτε σχέσεις τους με τα φυτά που έχουν αγγειακό σύστημα [1]. Μετακινούμενοι δεξιόστροφα στην εικόνα, τα φυτά γίνονται ολοένα και πιο πολύπλοκα [1]. Τα φυτά τύπου Clubmoss, Horsetail και Fern επίσης αναπαράγονται με σπόρους αλλά έχουν https://www. youtube. com/watch?v=sbezmo85pzc 14

αγγειακό σύσημα για τη μεταφορά νερού και θρεπτικών συστατικών [1]. Έτσι μπορούν να αποκτήσουν μεγαλύτερο μέγεθος [1]. Τα φυτά τύπων Cycad, Ginko, Conifer και Gnetum έχουν αγγειακό σύστημα και αναπαράγονται με σπέρματα αντί για σπόρους [1]. Τα φυτά αυτά καλούνται «Γυμνά Σπέρματα» ("Naked Seeds") επειδή ο σπερματοβλάστης εκτείθεται στον αέρα κατά τη διάρκεια της γονιμοποίησης [1]. Τα φυτά με άνθη (Flowering Plants) κυριαρχούν στον πλανήτη σήμερα [1]. Σε αυτά τα φυτά οι σπερματοβλάστες (ovules) εμπεριέχονται πλήρως μέσα στον ύπερο του άνθους [1]. Η γύρη πρέπει να εισχωρήσει στον ύπερο για τη γονιμοποίηση των σπερματοβλαστών [1]. 1. 8 Φυτά με σπόρους Ένας σπόρος είναι ένα έμβρυο του οποίου τα θρεπτικά συστατικά περιββάλονται από ένα προστατευτικό κάλυμμα. 31 Τα πρωτόγονα φυτά όπως τα βρύα, τα εκουιζέτα και οι φτέρες αναπαράγονται με σπόρους [1]. Οι σπόροι πέφτουν στο έδαφος και αναπτύσσονται μέσα σε ένα λεπτό φυτικό τμήμα που ονομάζεται "thallus" [1]. Αυτός ο όρος χρησιμοποιείται για να περιγράψει μια φυτική δομή η οποία δε διαφοροποιείται ούτε σε φύλλα ούτε σε μίσχο [1]. Το παράγει γεννητικά όργανα, όπως θηλυκά ωάρια και αρσενικά σπέρματα με σκοπό τη γονιμοπιοίησή τους [1]. Μετά τη γονιμοποίηση, το thallus μεγαλώνει σε ένα καινούριο φυτό [1]. Τα φυτά με σπόρους σχηματίζουν ένα clade και χωρίζονται σε δύο επιμέρους clades:32 Τα Γυμνοσπέρματα (Gymnosperms):Τα Γυμνοσπέρματα (λογοτεχνικά "γυμνοί σπόροι") ήταν το πρώτο σύνολο φυτών που εξελίχθηκε σε σπόρους για την παραγωγή πραγματικών σπερμάτων [1]. Αυτά τα φυτά καλούνται αλλιώς «γυμνοί σπόροι» γιατί τα κύτταρα-αυγά τους εκτίθενται στον αέρα ελαφρώς και γονιμοποιούνται από τη γύρη η οποία προσγειώνεται απευθείας στην επιφάνεια τους [1]. Μεταξύ των κωνοφόρων, για παράδειγμα, οι θηλυκοί κώνοι διαστέλλονται για μικρό χρονικό διάστημα όταν οι αρσενικοί κώνοι απελευθερώνουν γύρη [1]. Αυτό εκθέτει τα ωάρια στη γύρη στον αέρα [1]. Το σχήμα των κώνων προκαλεί 31 https://www. youtube. com/watch?v=sbezmo85pzc https://www. youtube. com/watch?v=sbezmo85pzc 15

ρεύματα αέρα να στροβιλίζεται γύρω τους ώστε να πιάσουν αυτή τη γύρη [1]. Το σχήμα της γύρης και το σχήμα των κώνων ταιριάζουν αεροδυναμικα μεταξύ τους και έτσι κάθε είδος αιχμαλωτίζει τη δική του γύρη [1]. Μετά τη γονιμοποίηση, τα στελέχη μεγαλώνουν γρήγορα και καλύπτουν τα ωάρια επιτρέποντας σε αυτά να ωριμάσουν και να γίνουν κανονικοί σπόροι [1]. Μερικά από τα πρώτα γυμνοσπέρματα ήταν το ο κύκας και το γκίνγκο και αργότερα τα σεκογια, το κυπαρίσσι και το το πεύκο [1]. Εικόνα 1. 11 Πεύκο http://www. cumaea. gr/%ce%b2%^f%8c%cf%84%ce%b1%ce%bd%ce%b1/%cf%80%ce%b5%cf%8d%ce%ba%ce%b F / Τα Αγγειοσπέρματα (Angiosperms): Η ανάπτυξη της κλειστής ωοθήκης οδήγησε σε μια νέα διαίρεση των φυτών, τα Αγγειοσπέρματα ή τα Φυτά με Άνθη όπως αλλιώς λέγονται [1]. Έτσι η ωοθήκη έγινε ένα ευέλικτο μέσο δημιουργίας νέων σκόρπιων συστημάτων [1]. Για παράδειγμα, τα μούρα και άλλα φρούτα είναι πρησμένες ωοθήκες που είναι συνήθως κατασκευασμένα για να τρώγονται σα μεσο μεταφοράς και εμφύτευσης των σπόρων [1]. Οι ωοθήκες γύρω από τους σπόρους του σφενδάμου αναπτύσσονται σε φτερά με σκοπό το σκόρπισμα των σπόρων στον αέρα [1]. Οι ωοθήκες μερικών φυτών αναπτύσσονται σε συστήματα που έχουν τη μορφή ελατηρίου με σκοπό την ώθηση των σπόρων μακριά [1]. Η εξέλιξη των θηλαστικών είναι στενά συνδεδεμένη με την ανάπτυξη της ωοθήκης των φυτών και των χυμώδων φρούτων τους, των καρπών τους και των κόκων τους [1]. 16

(with seeds) Εικόνα 1.12 Αγγειοσπέρματα http://biology. clc. uc. edu/courses/bio106/angio. htm Ίσως να προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι το γρασίδι και πολλά άλλα μη-εκκεντρικά φυτά θεωρούνται "άνθη", ωστόσο παράγουν πραγματικούς στήμονες και υπέρους και αναπτύσσουν τα σπέρματά τους σε μια κλειστή ωοθήκη [1]. Έχουν απλά προσαρμοστεί στη γονιμοποίηση με τη βοήθεια του αέρα και στερούνται την ανάγκη για εκκεντρικά πέταλα προκειμένου να προσελκύσουν έντομα [1]. Παρά την πρόσφατη εξέλιξή τους, τα Φυτά με Άνθη είναι είναι κατά κύριο λόγο η μεγαλύτερη κατηγορία φυτών, με τα περισσότερα είδη και την ισχυρότερη παρουσία φυτών στον κόσμο [1]. Ο ακριβής σύνδεσμός τους με τα κωνοφόρα δεν είναι ακόμα γνωστός, αλλά απομεινάρια της εξελικτικής προόδου μπορούν ακόμα να εντοπιστούν σε μοντέρνα φυτά με άνθη [1]. Μέλη της οικογένειας της Μανώλιας ιδιαίτερα, διατ ηρούν τα σπέρματά τους σε μια μεγάλη κωνικής μορφής δομή στο κέντρο των ανθέων [1]. Ένα μέλος της οικογένεας, η τουλίπα, έχει πράσινα και ανθεκτικά στη χλωροφύλλη πέταλα [1]. Σε μικρότερο βαθμό, τα φυτά της οικογένειας της νεραγκούλας παράγουν παρόμοια άνθη [1]. Πολλά φυλλοβόλα δέντρα συνεχίζουν επίσης να διατηρούν τα σπέρματά τους σε κωνικής μορφής δομές [1]. 17

Εικόνα 1. 13 Αγγειόσπερμα http://www. encyclopedia. com/topic/angiosperm. aspx Εικόνα 1. 14 Αγγειόσπερμα- Τουλίπα http://itsyourwallpaper. blogspot. gr/2013/06/nature-flower-wallpaper-tulips. html Ίσως να περίμενε κανείς ότι τα δέντρα θα είχαν μικρή σχέση με τα λουλούδια [1]. Κι όμως τα μήλα και οι φράουλες ανήκουν στην ίδια οικογένεια [1]. Ο λόγος είναι ότι τα φυτά ομαδοποιούνται σύμφωνα με ομοιότητες στα τμήματα των ανθέων τους παρά στην τοποθεσία βλάστησής τους [1]. Έστω για παράδειγμα ένα ραδίκι το οποίο μεγαλώνει στη σκιά και ένα άλλο που μεγαλώνει στο ηλιακό φως [1]. Αυτό της σκιάς θα εμφανιστεί πλούσιο, με φύλλα τόσο μεγάλα όσο ένα πόδι ενώ εκείνο που μεγαλώνει στο ηλιακό φως θα είναι πολύ πιο μικρό και συμπαγές [1]. Ένας ερασιτέχνης φυσιολόγος ίσως να μην καταλάβει ότι πρόκειται για το ίδιο φυτό [1]. Ωστόσο, τα άνθη και στα δύο φυτά ταυτίζονται [1]. Το σχήμα των φύλλων και των μίσχων είναι πολύ ευέλικτα και προσαρμόζονταιι εύκολα σε καινολυριες και διαφορετικές συνθήκες [1]. Με το πέρασμα του χρόνου, υπάρχει περισσότερη εξελικτική πίεση στη βλάστηση παρά στα άνθη [1]. Κατά συνέπεια, οποιαδήποτε 18

δεδομένη οικογένεια φυτών μπορεί να έχει ευρέως διαφορετική βλάστηση, αλλά παρόμοια άνθη [1]. Περιέργως, οι βοτανολόγοι προσδιόρισαν ότι τα φυτά με άνθη εξελίχθηκαν σαν τροποποιήσεις των φύλλων [1]. Τα σέπαλα στα περισσότερα φυτα είναι πράσινα και έχουν μορφή φύλλου, ενώ σε άλλα έχουν το χρώμα των πετάλων [1]. Στον υδάτινο κρίνο, υπάρχει μια ορατή μετακίνηση από τα σέπαλα στα πέταλα και έπειτα στους στήμονες [1]. Έτσι τα πέταλα είναι τροποποιήσεις των σεπάλων και οι στήμονες τροποποιήσεις των πετάλων [1]. Οι εκτροφείς φυτών, συχνά χαλιαγωγούν αυτά τα χαρακτηριστικά των ανθέων [1]. Εικονικά κάθε φυτό στην οικογένεια του τριαντάφυλλου, για οαράδειγμα, έχει 5 πέταλα, όπως συμβαίνει στα άγρια ριαντάφυλλα [1]. Ωστόσο, οι εκτροφείς φυτών έχουν αναπτύξει τριαντάφυλλα με περισσότερα πέταλα [1]. Αυτά τα πρόσθετα πέταλα αναπτύχθηκαν από τους στήμονες [1]. Εικόνα 1. 15 Βασικό Αγγειόσπερμα http://cwd.huck.psu.edu/bio414/jbslang.html Μια άλλη εξέλιξη των φυτών με άνθη ήταν η φυλλοβόλα βλάστηση, πιθανών σα συνέπεια των κλιματικών αλλαγών [1]. Το κλίμα του κόσμου μετριάστηκε 300. 000. 000 χρόνια πριν κατά τη διάρκεια της Εποχής του Γαιάνθρακα όταν θερμά ρεύματα ωκεανού μετακινήθηκαν από τον Ισημερινό στο Βόρειο Πόλο [1]. Το κλίμα σήμερα είναι περισσότερο σκληρό [1]. Τα δέντρα με ανθη έχουν προσαρμοστεί στο καινούριο κλίμα ρίχνοντας τα φύλλα τους και πέφτοντας σε χειμερία νάρκη [1]. Πετούν παλιά, φθαρμένα φύλλα για να εμπλουτίσουν το χώμα τους αλλά και για να προστατευθούν από τα χιόνια [1]. Την άνοιξη δημιουργούν ανθεκτικά φύλλα [1]. 19

Με παρόμοιο τρόπο, αιώνια λουλούδια θα μπορούσαν να θεωρηθούν ως πολύ φυλλοβόλα [1]. Κατά την περίοδο της ανάπτυξης αυτά αποθηκεύουν αρκετή ποσότητα ενέργειας στις ρίζες τους [1]. Τότε το φυτό μαραίνεται στο έδαφος για το χειμώνα, αλλά η ενέργεια που είναι αποθηκευμένη στις ρίζες του του επιτρέπει να αναπτυχθεί ξανά την άνοιξη [1]. 1. 9 Φυτά με αγγεία Τα πρώτα φυτά με αγγειακό σύστημα ίσως να εξελίχθηκαν από κοινούς προγόνους βρύων και ηπατήτιδων, αλλα το πιο πιθανό είναι να αναπτύχθηκαν ανεξάρτητα, μέσω μιας σχέσης ανάμεσα στα φυτά και τους μύκητες, όπου οι μύκητες παρείχαν μεταλλικά συστατικά και τα φυτά παρείχαν ενέργεια μέσω της φωτοσύνθεσης [1]. Αυτή η σχέση βοήθησε στην ενσωμάτωση της θρεπτικής ροής έτσι ώστε το νερό και τα συστατικά να μπορούν να μεταφερθούν μεσω του φυτού [1]. Η σχέση μεταξύ φυτών και μυκήτων έχει αναμφισβήτητα οδηγήσει σε γενετικές αλλαγές κατά καιρούς [1]. Είναι πραγματικά εντυπωσιακό γεγονός της εξέλιξης η δυνατότητα ανταλλαγής γενετικής πληροφορίας ανάμεσα σε τελείως διαφορετικά είδη [1]. Οι περισσότερες αλλαγές θα οδηγούσαν σίγουρα σε μοιραία ελαττώματα, αλλά οποιαδήποτε επιτυχής αλλαγή θα επιτάχυνε την εξελικτική διαδικασία από ότι η απλή ανταλλαγή γονιδίων με άλλο μέλος του ίδιου είδους [1]. Το μεγαλύτερο μέρος του ανθρώπινου γονιδιώματος θεωρείται ότι είναι bits DNA προερχόμενα από ιούς [1]. Η ανάπτυξη του αγγειακού συστήματος επέτρεψε στα φυτά να στέκονται ακριβώς με κατεύθυνση τον ουρανό, ένα ευδιάκριτο εξελικτικό πλεονέκτημα για τα βρύα και τις ηπατήτιδες [1]. Τα πρώτα δάση αποτελούνταν από αυτούς τους παραγωγούς σπόρων με αγγειακό σύστημα, τις φτέρες, τα βρύα τύπου club και τα εκουιζέτα [1]. Είναι χαρακτηριστικό ότι σε αυτά τα δάση τα βρύα τύπου club και τα εκουιζέτα έγιναν γιγάντια δέντρα ύψους πάνω από 100 πόδια [1]. Αυτά τα φυτά ευνοήθηκαν σε μια εποχή όπου το κλίμα της γης μετριάστηκε από ρεύματα ωκεανών που μετέφεραν θερμά ύδατα από τον ισημερινό προς τους πόλους [1]. Τα φυτά με σπόρους άνθισαν σε τροπικό κλίμα για εκατομμύρια χρόνια και εδραίωσαν αυτό που έγινε οι αποθήκες γαιάνθρακα του πλανήτη [1]. 20

Κάποτε, οι φτέρες, τα βρύα τύπου Club και τα εκουιζέτα ανήκαν όλα στην κατηγορία των φτερών [1]. Ωστόσο, όπως τα βρύα και ηπατήτιδες, τα φυτά παρεκκλίνουν το ένα από το άλλο πολύ στη λίστα των απολιθωμάτων [1]. Είναι γεννημένα να στοιβάζονται μαζί [1]. Αυτά τώρα ταξινομούνται σε τρεις διαφορετικές κατηγορίες: τα βρύα τύπου Club (Club Moss), τα εκουιζέτα και οι φτέρες [1]. Εικόνα 1. 16 βρύα τύπου Club http://www.aspca.org/pet-care/animal-poison-control/toxic-and-non-toxic-plants/club-moss Εικόνα 1. 17 Εκουιζέτο http://www. sensities.com/product_details.php?id=13 06 Εικόνα 1..18 Φτέρες http://el. wikipedia. org/wiki/%ce%a 6%CF%84%CE%AD %CF%81 %CE%B7 21

1. 10 Ονόματα Φυτών Τα φυτά έχουν συνήθως λατινικά ονόματα τα οποία χρησιμοποιούνται ως ψευδώνυμα για την απόκτηση γνώσεων περί φυτών [1 σελ. 8]. Κάθε φυτό έχει ένα και μοναδικό όνομα στα λατινικά και αυτό το όνομα αποτελείται από δύο τμήματα:το πρώτο τμήμα ονομάζεται «γένος» ( genus -πληθ. genera) και το πρώτο του γράμμα είνι πάντα κεφαλαίο [1 σελ. 8]. Το δεύτερο τμήμα είναι το όνομα του είδους και το αρχικό του γράμμα γράφεται πάντα με μικρό [1 σελ. 8]. Και τα δύο τμήματα γράφονται με πλάγια γραμματοσειρά [1 σελ. 8]. Παράδειγμα: Έστω ένα τοπικό φυτό της Σικελίας, το "sweet cicely" το οποίο έχει έντονη τη γεύση του γλυκάνισου [1 σελ. 8]. Το φυτό αυτό ονομάζεται Osmorhiza occidentalis [1 σελ. 8]. Εικόνα 1. 19 Osmorhiza occidentalis http://commons:wikimedia.org/wiki/file:osmorhiza occidentalis 4061.JPG Κάποιες φορές γράφουμε πιο σύντομα το όνομα του γένους γράφοντας μόνο το αρχικό κεφαλαίο γράμμα [1 σελ. 8]. Παράδειγμα: Ο. chilensis, O. occidentalis αντί για Osmorhiza chilensis, Osmorhiza occidentalis [1 σελ. 8]. Επίσης όταν θέλουμε να αναφερθούμε γενικά στην ομάδα φυτών γράφουμε Genus_name. spp [1 σελ. 8]. Το spp σημαίνει species plural [1 σελ. 8]. Παράδειγμα: Osmorhiza. spp [1 σελ. 8] 22

Κεφάλαιο 2: Εισαγωγή στην αναγνώριση φυτών από τα φύλλα 2. 1 Βασικοί ορισμοί Πέταλο:Το πέταλο (petal) είναι ένα χρωματιστό τμήμα του φυτού που χρησιμοποιείται για την αναπαραγωγή του [3] [4]. Όλα τα πέταλα ενός φυτού αποτελούν τη στεφάνη (corolla) [3] [4]. Σέπαλο:Το σέπαλο (sepal) είναι τμήμα του φυτού που βρίσκεται ανάμεσα στα πέταλα33. Τα σέπαλα είναι συνήθως πράσινα και μικρά34. Ωστόσο σε φυτά που δεν έχουν πέταλα τα σεπαλα μπορεί να είναι μεγάλα και χρωματιστά35. Τέπαλα: Τα πέταλα και τα σέπαλα αποτελούν τα τέπαλα (tepals). 36 Βράκτιο:Το βράκτιο (bract) είναι ένα μικρό «τροποποιημένο» φύλλο [1]. Ουσιαστικά το βράκτιο είναι κάτι ανάμεσα σε φύλλο και σέπαλο, το οποίο μοίαζει σαν πρόσθετο στρώμα του σεπάλου [1]. Το βράκτιο συνηθως έχει πράσινο χρώμα, αλλά μπορεί να έχει και άλλα χρώματα [1]. 2. 2 Γενικά για τα φύλλα Τα φύλλα υπάρχουν στα περισσότερα φυτά και σχηματίζουν ένα υπερβολικά μεταβλητό σύνολο οργάνων [5] παράγουν πολλά χαρακτηριτικά τα οποία είναι σημαντικά στην ταυτοποίηση [5]. Στα περισσότερα φυτά τα φύλλα δημιουργούνται κατευθείαν στους μίσχους ή στα κλαδιά, αλλά μπορούν επίσης να δημιουργηθούν σε βασικά ροζέττα ή σε μικρούς βλαστούς [5]. Το σημείο στο μίσχο, στο κλαδί ή το βλαστό στο οποίο ένα φύλλο, ένα ζεύγος φύλλων, ή μια «έλικα» αυτών δημιουργείται ονομάζεται κόμβος' τα τμήματα του βλαστού που δεν έχουν φύλλα, ανάμεσα στους κόμβους, ονομάζονται ενδιάμεσοι κόμβοι [5]. Τα φύλλα μπορούν να διαρκέσουν μόνο για μία περίοδο ανάπτυξης' εμφανίζονται από τα μπουμπούκια την άνοιξη και φθειρονται και πέφτουν το φθινόπωρο'τέτοια φύλλα ονομάζονται φυλλοβόλα [5]. Εναλλακτικά, μπορούν να διαρκέσουν μερικές εποχές [5]. Αυτά λέγονται αειϋαλή [5]. Τα φυλλοβόλα φύλλα είναι συνήθως λεπτά και αδύναμα ή http://simple. wikipedia. org/wiki/sepal ' http://simple. wikipedia. org/wiki/sepal http://simple. wikipedia. org/wiki/sepal http://simple. wikipedia. org/wiki/sepal 23

μοιάζουν με περγαμηνή στην υφή, ενώ τα αειθαλλή είναι συνήθως πιο παχιά και κατά κάποιον τρόπο σκληρά (coriaceous) ή μοιάζουν με βελόνα (acicular ή subulate) [5]. Σε μερικά είδη τα φύλλα είναι ημι-αειθαλή, μερικά πέφτουν μετά από κάποια περίοδο ενώ άλλα επιβιώνουν για περισότερο χρόνο [5]. Τα φύλλα προσκολλώνται στους μίσχους στην περιοχή των κομβων [5]. Μπορεί να υπάρχει ένα μόνο φύλλο σε κάθε κόμβο, ένα ζεύγος φύλλων (στις αντίθετες πλευρές του βλαστού) ή μια έλικα φύλλων [5]. Όταν υπάρχει ένα μόνο φύλλο ανά κόμβο και τα φύλλα είναι ταξινομημένα γύρω από ένα σπιράλ, τότε έχουμε τη σπιράλ ταξινόμηση [5]. Αν τα φύλλα είναι ένα ανά κόμβο, αλλά διαδοχικά φύλλα είναι στις αντίθετες πλευρές του βλαστού, τότε έχουμε εναλλακτική ταξινόμηση ή distichous ταξινόμηση [5]. Αν υπάρχουν δύο φύλλα ανά κόμβο, είναι γενικά ταξινομημένα στις αντίθετες πλευρές του βλαστού και τότε έχουμε την αντίϋετη ταξινόμηση' όταν διαδοχικά ζεύγη φύλλων απέχουν 90 το ένα από το άλλο, τότε έχουμε την αντίκετη και decussate ταξινόμηση [5]. Όταν υπάρχουν μερικά φύλλα ανά κόμβο, τότε έχουμε ελικοειδή ταξινόμηση [5]. Φροντίδα πρέπει να δοθεί στη διάκριση των σπιράλ ταξινομημένων φύλλων και που σχηματίζουν ψεύτικες έλικες (π. χ. Rhododron) και σε εκείνα που σχηματίζουν πραγματικές έλικες [5]. Τα φύλλα μπορεί να γεννιούνται σε ροζέττα στη βάση των στελεχών, όπως στην πικραλίδα και σε πολλά άλλα είδη [5]. Σε τέτοια ροζέττα, οι ενδιάμεσοι κόμβοι είναι λιγότεροι και τα φύλλα δημιουργούνται πολύ κοντά το ένα με το άλλο [5]. Είναι γενικά εύκολο να παρατηρήσει κανείς ότι τα φύλλα σε τέτοια ροζέττα είναι σπιράλ ταξινομημένα [5]. Το φύλλο μπορεί να προσκολληθεί στον κόμβο από ένα μεγάλο ή μικρό κοτσάνι που ονομάζεται μίσχος' αυτό μπορεί να διακριθεί έντονα από το ευρύτερο τμήμα (τη λεπίδα ή τη μεμβράνη), ή η λεπίδα μπορεί να στενεύει ανεπαίσθητα μέσα σε αυτό [5]. Τα φύλλα δίχως μίσχο καλούνται άμισχα [5]. Η άνω γωνία ανάμεσα στο μίσχο (ή στη βάση του φύλλου αν το φύλλο είναι άμισχο) και το βλαστό στον οποίον αυτό προσκολλάται λέγεται μασχάλη [5]. Σε κάθε μασχάλη υπάρχει ένα μπουμπούκι ή ένα κλαδί το οποίο έχει αναπτυχθεί από ένα μπουμπούκι' μερικά φυτά έχουν πολλαπλά μπουμπούκια, το ένα πάνω στο άλλο, σε κάθε μασχάλη (π. χ. Spiraea) [5]. 24

Τα φύλλα των περισσότερων φυτών είναι μοναδικές δομές και δεν προέρχονται από ξεχωριστά τμήματα ή φυλλάδια [5]. Τα αδιαίρετα φύλλα,, τα οποία μπορούν με διαφορετικούς τρόπους να σχηματίσουν λοβούς ή δόντια λέγονται απλά και ενιαία όταν δε σχηματίζουν λοβό ή δόντι [5]. Τα φύλλα με δόντια έχουν περιθώρια τα οποία είναι χαραγμένα ελαφρώς, είτε ομαλά είτε ανώμαλα' όταν ο σχηματισμός δοντιού είναι αιχμηρός και ομαλός σαν αυτόν του πριονιού, τα φύλλα λέγονται πριονωτά' όταν κάθε δόντι είναι ανώμαλα οδοντωτό τότε λέγεται μηπριονωτό [5]. Όταν τα δόντια είναι μεγαλύτερα και όχι τόσο ομαλά το περιθώριο καλείται dentate' τα dentate φύλλα μπορεί να είναι είτε ομαλά είτε ανώμαλα [5]. Όταν τα δόντια είναι περισσότερο κυκλικά παρά αιχμηρά τότε το περιθώριο λέγεται crenate [5]. Όλα τα φύλλα που περιεγράφησαν παραπάνω έχουν μόνο τα περιθώριά τους ξεχωριστά [5]. Τα φύλλα με λοβούς είναι χαραγμένα τουλάχιστον στο ένα τρίτο της απόστασης από το περιθώριο στην κεντρική νεύρωση [5]. Τα σύνϋετα φύλλα αποτελούνται από δύο ή περισσότερα ξεχωριστά τμήματα, τα φυλλάδια' τα φυλλάδια μπορούν να στοιβάζονται, όταν αυτά περιγράφονται ως petiolulate (όπως στο φυτό Schefflera) [5]. Στον επιφανειακό παρατηρητή, τα φυλλάδια μπορεί να ταυτιστούν με τα ατομικά φύλλα' η ουσιώδης διαφορά είναι ότι στη βάση του φύλλου υπάρχει ένα μπουμπούκι (ή ένα κλαδί που έχει αναπτυχθεί από προϋπάρχον μπουμπούκι) στη μασχάλη, ενώ στα φυλλάδια κανένα από τα όργανα δεν είναι παρόν [5]. Τα φύλλα μπορούν να διαιρεθούν σε φυλλάδια με δύο τρόπους: το φύλλο μπορεί να ταξινομηθεί σα φτερό, με τα φυλλάδια να είναι ταξινομημένα το ένα με το άλλο κατά μήκος των πλευρών του κυρίου άξονα (ράχη), που είναι μια συνέχεια του μίσχου' ή όλα τα φύλλα 25

μπορεί να εμφανίζονται από το ίδιο σημείο στην κορυφή του μίσχου [5]. Το πρώτο είδος διαίρεσης λέγεται πτεροειδές, το δεύτερο παλμοειδές [5]. Στα πτεροειδή φύλλα, το φύλλο μπορεί να είναι ένα μονό τερματικό φυλλάδιο (imparipinnate), ή μπορεί να μην υπάρχει προφανές τερματικό φυλάδιο (paripinnate). Σε μερικά ψηλά φυτά τα τερματικά φυλλάδια των πτεροειδών φύλλων αντικαθίστανται με βλαστάρια [5]. Στην περίπτωση του φυτού του οποίου τα φύλλα αποτελούνται μόνο από 3 φυλλάδια όπως τα περισσότερα τριφύλλια, το φύλλο θα μπορούσε θεωρητικά να είναι είτε πτεροειδές είτε παλμοειδές [5]. Σε όλα τα σύνθετα φύλλα, τα φυλλά είναι χώρια το ένα από το άλλο στις βάσεις τους [5]. Τα φύλλα μπορούν ωστόσο να είναι απλά αλλά με λοβούς [5]. Τα φυλλάδια των σύνθετων φύλλων (ή οι λοβοί των λοβοειδών φύλλων) μπορούν να έχουν δόντια, λοβούς ή να διαιρεθούν σε φυλλάδια δεύτερου βαθμού [5]. Τέτοια διαίρεση εντοπίζεται κυρίως στα πτεροειδή φύλλα που τότε καλούνται διπτεροειδή (π. χ. μιμόζα) [5]. Τα σχήματα των φύλλων (ή των φυλλαδίων) ποικίλουν απεριόριστα και μια τεράστια ορολογία έχει αναπτυχθεί για την αντιμετώπιση αυτής της ποικιλίας [5]. Αυτή η ορολογία βασίζεται στο συνολικό σχήμα του φυτού [5]. Γύρω από το σημείο στο οποίο ο μίσχος ή το φύλλο προσκολλάται στο βλαστό μπορεί να υπάρχουν δύο εξογκώματα γνωστά ως παράφυλλα [5]. Η παρουσία τους ή η απουσία τους είναι υψίστης σημασίας για την ταυτοποίηση των φύλλων [5]. Αν υπάρχουν, μπορεί να ποικίλουν στη μορφή' μερικά είναι πολύ μικρά και απαρατήρητα, άλλα μεγάλα και μοιάζουν με φύλλα [5]. Σε ελάχιστα είδη (π. χ. Lathyrus nissolia) είναι μεγαλύτερα από το υπόλοιπο του φύλλου και σχηματίζουν τα κυρια φωτοσυνθετικά όργανα [5]. Εικόνα 2. 2 vegchar http://botany.csdl.tamu.edu/flora/tfplab/vegchar.htm Τα παράφυλλα μπορεί να είναι χώρια από το μίσχο, ή ενωμένα με αυτόν όπως στο τριαντάφυλλο, οπότε λέγονται adnate στο μίσχο [5]. Τα παράφυλλα μπορεί να είναι πολύ 26

φυλλοβόλα μόλις τα φύλλα επεκταθούν [5]. Αυτό συμβαίνει σε πολλά είδη δέντρων (π. χ. Betula, Quercus) και οι βάσεις των ώριμων φύλλων πρέπει να εξεταστούν προσεχτικά για την παρατήρηση των μικρών ουλών που προέρχονται από τα πεσμένα φύλλα [5]. Στη μανώλια κάθε νέο μπουμπούκι-φύλλου τυλίγεται πλήρως από τα παράφυλλά του, που του παρέχουν προστασία στην κακοκαιρία [5]. Εικόνα 2.3 Παράφυλλο http://kpe-kastor.kas.sch.gr/leaf/lexicon/p/leaf-variation.htm Στα χοντρά φυτά, οι φυλλώδεις ουλές αναπτύσσονται όταν τα φύλλα πέφτουν' η θέση, το σχήμα και η μορφή των ουλών μπορεί να είναι σημαντικά στην ταυτοποίηση, ιδίως το χειμώνα όπου άλλα χαρακτηριστικά δεν είναι διαθέσιμα [5]. Εικόνα 2. 4 Νεύρωση Φύλλων http://kpe-kastor.kas.sch.gr/leaf/texts/leaf-veins.htm Τα φύλλα περιέχουν ένα δίκτυο σκλητότερου ιστού που έχει τη μορφή νευρώσεων, οι οποίες παρέχουν μηχανική υποστήριξη για το φύλλο και μεταφέρουν το νερό και την τροφή στους ανθεκτικούς ιστούς (το ξύλο και το φλοίωμα), μαζί με άλλες δομές σχηματίζοντας τις 27

αγγειακές δεσμίδες φύλλων [5]. Στα φύλλα των περισσοτέρων δικοτυλιδώνων υπάρχει μια κεντρική νεφρωςη, η οποία ειςάγει το φφλλο από το μίςχο και διαςχίζει τη μεςαία γραμμή ως την κορυφή, εγκαταλείποντας τα δευτερεύοντα κλαδιά, που έχουν κλαδευτεί από μόνα τους και ςχηματίζουν ένα δίκτυο [5]. Η νεύρωςη αυτού του τύπου καλείται reticulate [5]. Ένα άλλο κοινό είδος νεύρωςης εντοπίζεται κυρίως ςτα μονοκοτυληδόνα και περιλαμβάνει μερικές πολλές ή λίγες παρόμοιες νευρώςεις οι οποίες ειςάγουν το φύλλο από το μίςχο ή τη βάςη και το διαπερνούν ανεξάρτητ ςτα περιθώρια' αυτές οι παράλληλες νευρώςεις ςυνδέονται ςυνήθως με μικρότερες νευρώςεις [5]. Οι νευρώςεις τύπου Reticulate παράγονται κυρίως ςε φύλλα που μεγαλώνουν μέχρι τελικού μεγέθους κυρίως γύρω από τα περιθώρια, ενώ οι παράλληλες νευρώςεις παράγονται κυρίως ςε φύλλα που μεγαλώνουν κυρίως μέχρι τη βάςη [5]. Σε πολύ λεπτά φύλλα είναι δύςκολο να διακρίνει κανείς τις νευρώςεις [5]. Εικόνα 2. 5 Νεύρωση τύπου reticulate http://commons.wikimedia.org/wiki/^ile:leaf_morphology_reticulate.png Η πτύξη είναι ο όρος που χρηςιμοποιείται για την περιγραφή ποικίλων τρόπων με τους οποίους τα νέα φύλλα ςυμπιέζονται για το ςχηματιςμό των φυτικών μπουμπουκιών [5]. Αυτό μπορεί να διερευνηθεί διαιρώντας ένα μπουμπούκι εγκάρςια, ή παρατηρώντας τα πολύ νέα φύλλα την ώρα που εμφανίζονται [5]. Αυτό είναι ένα χαρακτηριςτικό βοηθητικό για την ταυτοποίηςη αργά το χειμώνα ή νωρίς την άνοιξη [5]. Το πιο κοινό είδος που έχει το φύλλο με τις πλευρές του κλειςμένες προς τα πάνω μαζί με τα πάνω μέρη της κεντρικής νεύρωςης, με τις πλευρές παράλληλες' αυτή η κατάςταςη περιγράφεται ως conduplicate [5]. Σε μεγαλύτερα φύλλα που έχουν λοβούς ή έχουν διαιρεθεί, κάθε λοβός ή μικρό φύλλο μπορεί να καλυφθεί κατά αυτόν τον τρόπο, παράγοντας ένα πλιςέ αποτέλεςμα, για το οποίο ο όρος είναι plicate (π. χ. Alchemilla). 28

Εικόνα 2. 6 Plicate leaf http://colchicaceae.e-monocot.org/sites/colchicaceae.e-monocot.org/files/european_colchicaceae_rm.xml Εναλλακτικά, τα φύλλα πολλών ειδών, ειδικά τα μονοκοτυληδόνα, τυλίγονται σε ένασωλήνα ςτο μπουμποφκι, με ένα εξωτερικό περιθϊριο, το άλλο εςωτερικό ' αυτή θ κατάςταςθ είναι γνωστή ως supervolute και είναι οικεία στους ανθρώπους που μεγαλώνουν τα φυτά του σπιτιού όπως τα Monstera pertusa ή Ficus elastic [5]. Σε μερικά άλλα φυτά, π. χ. στις βιολέττες (τύπου Viola), τα φύλλα έχουν τα περιθώριά τους τυλιγμένα προς τα πάνω και προς τα μέσα στο μπουμπούκι και η κατάσταση αυτή ονομάζεται involute, ενώ στο είδοε του Polygonum τα περιθώρια των φύλλων τυλίγονται προς τα κάτω μια κατάσταση που ονομάζεται revolute [5]. Σε μερικά φυτά (π. χ. Amaryllidaceae) τα φύλλα είναι επίπεδα και ελαφρώς σγουρά' άλλα φυτά έχουν ποικίλους συνδυασμούς των χαρακτηριστικών που περιεγράφησαν παραπάνω [5]. Στα εντομοφάγα φυτά της οικογένειας Droseraceae τα φύλλα είναι μακριά και τυλιγμένα από την κορυφή ως τη βάση, με την ανωτερη επιφάνεια είτε μέσα στο σπιράλ είτε έξω' και στη δύο περιπτώσεις η πτύξη περιγραφεται ως circinate [5]. 29

Εικόνα 2. 7 circinate leaf https://www.studyblue.eom/notes/note/n/botany-lab-5-ferns-and-fern-allies/deck/4370139 Υπάρχουν ποικίλοι όροι για την περιγραφή δευτερευόντων χαρακτηριστικών των φύλλων [5]. 2. 3 Μελέτη και ανάλυση διάφορων μεθόδων αναγνώρισης φύλλων φυτών Εισαγωγή Τα τελευταία χρόνια έχουν προταθεί ποικίλες μέθοδοι από διάφορους ερευνητές για την ταυτοποίηση των φυτών [6]. Ένας σημαντικός παράγοντας είναι η αποτελεσματικότητα των μεθόδων αυτών. Για το λόγο αυτό στα πειράματα αναγνώρισης φύλλων φυτών πραγματοποιείται και συνδυασμός μεθόδων με σκοπό τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας [6]. Για την επιτευξη υψηλού βαθμού αποτελεσματικότητας στα συστήματα αναγνώρισης φυτών απαιτείται ακόμα η εξαγωγή χαρακτηριστικών από το σχήμα, το χρώμα, την υφή, τη νεύρωση και επίσης την άκρη των φύλλων [6]. Επιπλέον, χρησιμοποιούνται ευρέως σήμερα και άλλα χαρακτηριστικά των φύλλων όπως η ικανότητα περιστροφής η «εκκεντρικότητα» (eccentricity) και το σκόρπισμα τα οποία σχετίζονται με το σχήμα των φυτών [6]. 1. Μέθοδος GLCM (Gray-Level Co-Occurrence Matrix) Αυτή η μέθοδος προτάθηκε για πρώτη φορά από τον Haralick [6] [7] το 1973 και είναι μια από τις σημαντικότερες τεχνικές ανάλυσης υφής [7]. Η κεντρική ιδέα της μεθόδου είναι η 30

εξαγωγή χαρακτηριστικών υφής βασισμένων σε μήτρες συνύπαρξης γκρι επιπέδου [7] (gray level co-occurrence matrices -GLCM). Οι μήτρες χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση των χωρικών σχέσεων ανάμεσα στα εικονοστοιχεία (pixels) [7]. Πιο συγκεκριμένα, η GLCM ταξινομεί τα γειτονικά εικονοστοιχεία μιας εικόνας σε τέσσερις κατευθύνσεις: 0 μοίρες, 45 μοίρες, 90 μοίρες και 135 μοίρες [6] [7]. Συνήθως η απόσταση ανάμεσα σε δύο εικονοστοιχεία όταν εφαρμόζεται η μέθοδος αυτή ισούται με 1 [6]. Έπειτα, πραγματοποιούνται στατιστικοί υπολογισμοί με τη χρήση βαθμωτών μεγεθών του Haralick [6]. Πλεονεκτήματα της μκόδου GLCM Ο ορισμός των μέτρων είναι εύκολα κατανοητός. 37 Δε δημιουργείται η ανάγκη δημιουργίας ή εισαγωγής καινούριων μεθόδων. 38 Η χρήση των μέτρων υφής δημιουργεί ένα επιπλέον βήμα συγκριτικά με τις συμβατικές μεθόδους ταξινόμησης. Μετά τον υπολογισμό των μέτρων υφής, είναι πιθανή η χρήση όλων των υπρχόντων μεθόδων και λογισμικών ταξινόμησης καθώς και η αξιολόγηση της ακρίβειας. Ο χρόνος υπολογισμών για τη μέθοδο αυτή ειναι μικρός και η ταχύτητα ταυτοποίησης υψηλή [7]. Μειονεκτήματα της μκόδου GLCM Τα μέτρα υφής είναι μια μέθοδος η οποία απαιτεί αρκετή μνήμη και υπολογιστικό > 39 χρόνο. Έχοντας πολλές επιλογές (μέγεθος παραθύρου, προσανατολισμό, κλπ) για την έναρξη του υπολογισμού των μέτρων, μερικές φορές καθίσταται λίγο δύσκολη η επιλογή των σωστών μέτρων ταξινόμησης4 0. Η μέθοδος GLCM είναι πολύ ευαίσθητη για αλλαγές σε χαρακτηριστικά των εικόνων όπως το μέγεθος και η περιστροφή [7]. 2. Πολικός Μετασχημτισμός Fourier (Polar Fourier Transform-PFT) http://gis. vsb. cz/gisengl/conferences/gis Ova/GIS Ova 2006/Proceedings/Referatv/kaplan. html http://gis. vsb. cz/gisengl/conferences/gis Ova/GIS Ova 2006/Proceedings/Referatv/kaplan. html http://gis. vsb. cz/gisengl/conferences/gis Ova/GIS Ova 2006/Proceedings/Referatv/kaplan. html ' http://gis. vsb. cz/gisengl/conferences/gis_ova/gis_ova_2006/proceedings/referatv/kaplan. html 31

Ο πολικός μετασχηματισμός Fourier χρησιμοποιείται για την παραγωγή χαρακτηριστικών που σχετίζονται με το σχήμα των φύλλων [6]. Μετά την παραγωγή τους τα χαρακτηριστικά εξάγονται από την κεντρική ροπή [6]. Τέλος, δύο χαρακτηριστικά σχετίζονται με μια κυρτή φλούδα [6]. Ο υπολογισμός του PFT βασίζεται στην ιδέα της μετατροπής μιας δυσδιάστατης εικόνας από το χώρο των καρτεσιανών συνεταγμένων στο χώρο των πολικών συντεταγμένων [6]. Πλεονεκτήματα του PFT O PFT θεωρείται ένας από τους πιο κατάλληλους αλγορίθμους για την αναγνώριση του σχήματος των φυτών [8]. O PFT μπορεί να αντιμετωπίσει το πρόβλημα θορύβου που παρατηρείται έντονα στις ψηφιακές εικόνες [8]. Μειονεκτήματα του PFT Ο PFT δεν επαρκεί για αναγνώριση φύλλων φυτών [8]. Κι αυτό γιατί τα φυτά διαθέτουν φύλλα με μοναδικό σχήμα, φανταχτερό σχέδιο ή ελκυστικά χρώματα [8]. Συνεπώς, η διαχείριση χρωμάτων είναι απαραίτητη διότι υπάρχουν φύλλα προερχόμενα από διαφορετικά φυτά, τα οποία έχουν το ίδιο σχέδιο αλλά διαφορετικό χρώμα [8]. 3. Μέθοδος PCA (Principal Component Analysis) Η PCA είναι μία μέθοδος η οποία εφαρμόζεται περισσότερο για την αναγνώριση προσώπων παρά για την αναγνώριση φύλλων φυτών [7]. Απαραίτητη προϋπόθεση για την εφαρμογή αυτής της μθόδου είναι η μετατροπή της εικόνας από έγχρωμη σε ασπρόμαυρη με σκοπό τη μείωση του μεγέθους της [7] [9]. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται για τη μετατροπή των δεδομένων σε ένα ενιαίο σύστημα έτσι ώστε η μεγαλύτερη διασπορά από την προβολή των δεομένων να βρίσκεται στην πρώτη συντεταγμένη, η αμέσως μικρότερη διασπορά με τη δεύτερη συντεταγμένη, κλπ [10]. Κάθε συντεταγμένη καλείται κύριο στοιχείο [10]. Πλεονεκτήματα της PCA H PCA θεωρείται πιο αποτελεσματική από την GLCM [7]. Μειονεκτήματα της PCA 32

H PCA είναι πολύ πιο αργή σε σχέση με την GLCM [7]. Σε περίπτωση που τα δεδομένα είναι μη-γραμμικά η PCA αποτυγχάνει [9]. 4. H μέθοδος LDA (Linear Discriminant Analysis) H LDA είναι μια μέθοδος που βασίζεται στην ανάλυση παλινδρόμησης και στην ανάλυση διασποράς (ANOVA) με σκοπό την έκφραση της εξαρτημένης μεταβλητής ως γραμμικού συνδυασμού άλλων χαρακτηριστικών [11] [12]. H LDA μοιάζει με τη μέθοδο PCA αφού χρησιμοποιούν και οι δύο γραμμικό συνδυασμό [11] [12]. Ωστόσο, η LDA εστιάζει στην ερμηνεία των διαφορών ανάμεσα στις κλάσεις [13] [11] [12]. H LDA έχει σκοπό τη μεγιστοποίηση της αναλογίας ανάμεσα στις διασπορές των κλάσεων σε οποιδήποτε σύνολο δεδομένων επιτυγχάνοντας έτσι μέγιστη διαχωρισιμότητα [13]. Η LDA χρησιμοποιείται κυρίως για αναγνώριση λόγου [13]. Πλεονεκτήματα της LDA Η LDA είναι πολύ απλή μέθοδος [12] Η LDA χρησιμοποιείται πολύ συχνά [12] H LDA μειώνει σημαντικά το σφάλμα ταξινόμησης [12] Η LDA προβλέπει την κλάση στην οποία ανήκει μια νέα παρατήρηση [12] Μειονεκτήματα της LDA Στην περίπτωση πολυδιάστατων χώρων υπάρχει μεγάλος αριθμός άγνωστων παραμέτρων που πρέπει να εκτιμηθούν [9] Μετά την εφαρμογή της LDA θα παραμείνουν μόνο γραμμικά διαχωρίσιμες κλάσεις [14] Δεν υπερέχει της PCA για μικρά σύνολα δεδομένων προς εκπαίδευση [14] 5. Ο Αλγόριθμος ΚΝΝ (K-Nearest Neighbours Algorithm) O Αλγόριθμος ΚΝΝ είναι μη-παραμετρικός και ταξινομεί κάθε καινούρια παρατήρηση με τη χρήση ενός κανόνα πλειοψηφίας στο χώρο χαρακτηριστικών θεωρώντας μία κλάση Κ γειτονικών παρατηρήσεων προς εκπαίδευση [12]. Για την αξιολόγηση των αποστάσων στο σύνολο χαρακτηριστικών χρησιμοποιείται η Ευκλείδια απόσταση [12]. Πλεονεκτήματα του ΚΝΝ O KNN είναι απλός στην υλοποίησή του [15] O KNN επιτυγχάνει υψηλά αποτελέσματα για μεγάλα σύνολα δεδομένων [9] 33

O KNN έχει πολύ καλή ασυμπτωτική απόδοση [9] Μειονεκτήματα του ΚΝΝ Η απόδοση του KNN μπορεί να μειωθεί σημαντικά για μικρά σύνολα δεδομένων [9] Παραδείγματα μιας πιο συχνής κλάσης τείνουν να προβλέψουν πού θα βρίσκεται ένα καινούριο παράδειγμα (παρατήρηση), επειδή λόγω του μεγάλου αριθμού τους τείνουν να μοιάζουν στην περιοχή των k-πλησιέστερων γειτόνων [16] 6. Το νευρωνικό δίκτυο PNN (Probabilistic Neural Network) Το PNN προέρχεται από το δίκτυο RBF [10] το οποίο είναι ένα τεχνητό νεωρωνικό δίκτυο που χρησιμοποιεί τη συνάρτηση RBF (Radial Basis Function) [10]. Η RBF είναι μια συνάρτηση σχήματος που χρησιμοποείται σε μη-γραμμικούς χώρους [10]. Με το PNN τα υπάρχοντα βάρη δεν εναλλάσσονται ποτέ παρά μόνο κατάτην εισαγωγή νέων διανυσμάτων σε πίνακες βαρών κατά την εκπαίδευση των δεδομένων [10]. Πλεονεκτήματα του ΡΝΝ Το PNN είναι γρήγορο [10] Το PNN είναι απλό στη δομή [10] Το PNN είναι εύκολο στην υλοποίηση [10] Το PNN μπορεί να προσεγγίσει ένα βέλτιστο Bayes-ιανό αποτέλεσμα κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες [10] Η εκπαίδευση των δεδομένων γίνεται εύκολα και στιγμιαία [10]. Το PNN μπορεί να υλοποιηθεί σε πραγματικό χρόνο [10]. Δείγματα δεδομένων εκπαίδευσης μπορούν να προστεθούν ή να αφαιρεθούν δίχως να απαιτείται εκτεταμένη επανεκπαίδευση [17] Μειονεκτήματα του ΡΝΝ Δεν είναι τόσο γενικό όσο άλλα νευρωνικά δίκτυα (π. χ, backpropagation) [17] Έχει μεγάλες απαιτήσεις μνήμης [17] Εκτελείται αργά [17] Απαιτεί ένα αντιπροσωπευτικό σύνολο δεδομένων εκπαίδευσης [17] 7. H μέθοδος Ψευδο-Zernike Ροπής (Pseudo Zernike Moment) Πλεονεκτήματα της Pseudo Zernike Ροπής Υψηλότερη ακρίβεια για λεπτομερή σχήματα [18] 34

Μικρότερη απώλεια πληροφοριών [18] Καλύτερη ανακατασκευή των εικόνων συγκριτικά με άλλες ροπές [18] Καλύτερες σταθερές ιδιότητες Το πλάτος κάθε Zernike Moment είναι αμετάβλητο ως προς την περιστροφή. Η ιδιότητα της ορθογωνιότητας μας δίνει την δυνατότητα να υπολογίσουμε ξεχωριστά την συμβολή της κάθε ροπής. Απλή άθροιση των ξεχωριστών αυτών συμβολών αποκαθιστά την εικόνα. N max /(r.ff) =ΣΣ Μειονεκτήματα της Pseudo Zernike Ροπής Απαιτείται κανονικοποίηση της εικόνας με σκοπό την επίτευξη σταθερής κλίμακας^σφάλματα και ανασχηματισμός της εικόνα;^έλλειψη ακρίβειας του ταξινομητή Δεν πρόκειται για ορθοκανονική βάση διανυσμάτων πράγμα που δυσχεραίνει την ανάλυση. Η ανακατασκευή των εικόνων από τα δείγματά τους δυσχεραίνεται λόγω των πολύπλοκων υπολογισμών που απαιτούνται για τον διαχωρισμό της χρήσιμης πληροφορίας. 8. Support Vector Machines Τα SVMs είναι ένα σύνολο συσχετιζόμενων μεθόδων οι οποίες χρησιμοποιούνται για ταξινόμηση και παλινδρόμηση [19]. Τα SVMs ανήκουν σε μια οικογένεια γενικευμένης γραμμικής ταξινόμησης [19]. Το γενικό πλαίσιο μέτρησης της ακρίβειας ενός SVM σε μια βάση δεδομένων περιλαμβάνει τα ακόλουθα στάδια [20] : Προεπεξεργασία των εικόνων στη βάση δεδομένων [20] Διαχωρισμός της βάσης δεδομένων σε σύνολα εκπαίδευσης και σύνολα ελέγχου [20] Επιλογή της αναπαράστασης των δεδομένων εισόδου [20] Επιλογή του τρόπου εκπαίδευσης που περιλαμβάνει [20] : Μέθοδος εκπαίδευσης πολλαπλών κλάσεων [20] Τιμή του the penalty term [20] 35

Επιλογή του πυρήνα [20] Εκπαίδευση [20] Έλεγχος και αξιολόγηση της εκτέλεσης [20] Πλεονεκτήματα των SVMs Πολύ καλή εκτέλεση συγκριτικά με τον κλασικό ταξινομητή [19] Ελαχιστοποίηση του εμπειρικού σφάλματος ταξινόμησης και μεγιστοποίηση του γεωμετρικού περιθωρίου [19] Μειονεκτήματα των SVMs Πολύ υψηλό κόστος ταξινομητή σε περίπτωση ύπαρξης μεγάλου αριθμού των support vectors [19] 9. Φίλτρα Gabor Τα φίλτρα Gabor βασίζονται σε φιλτράρισμα πολλών καναλιών, το οποίο μιμείται ορισμένα χαρακτηριστικά του ανθρώπινου οπτικού συστήματος [21]. Το ανθρώπινο οπτικό σύστημα αναλύει μια εικόνα η οποία έχει σχηματιστεί στον αμφιβληστροειδή χιτώνα του ματιού σε μερικές φιλτραρισμένες εικόνες, καθένα από αυτά έχει διακυμάνσεις της φωτεινότητας μέσα σε ένα περιορισμένο φάσμα συχνοτήτων και προσανατολισμών [21]. Μια συστοιχία Gabor φίλτρων αποτελείται από ένα σύνολο Gaussian φίλτρων που καλύπτουν τον τομέα της συνότητας με διαφορετικές ακτινικές συχνότητες και προσανατολισμούς [21]. Στο Χώρο Συναρτήσεων, ένα Gabor φίλτρο h (x, y) είναι μια συνάρτηση Gauss διαμορφωμένη από μια ημιτονοειδή συνάρτηση: h ( X, y ) = 1 ^ 2^ -------7 * e x p [ - y ]ex p [ j * 2 π * F (x c o s ^ + y s e n ^ )] 2 π σ ^ ^ 2 ^ σ ", Όπου η σg προσδιορίζει το χωρικό κάλυμμα του φίλτρου [21]. Στον τομέα των συχνοτήτων, η Gabor συνάρτηση είναι μια καμπύλη Gaussian [21]. Ο μετασχηματισμός Fourier της συνάρτησης Gabor είναι [21]: H(u,v)=exp[-2π2σ^g ((u -F cos θ)^ + {ν- F sen θ)^)] Οι παράμετροι που ορίζουν καθένα από τα φίλτρα είναι [21]: 36

Η ακτινική συχνότητα (F) όπου το φίλτρο είναι κεντραρισμένο στο πεδίο συχνοτήτων [21]. Η τυπική απόκλιση (σ) της Gauss καμπύλης [21]. Ο προσανατολισμός (θ) [21] Πλεονεκτήματα των Gabor φίλτρων Γρήγορη διαδικασία [VIII] Μειονεκτήματα των Gabor φίλτρων Περιορισμός λεπτομερειών [VIII] Όχι ιδιαίτερα σημαντική μείωση θορύβου [VIII] 2. 4 Ανάπτυξη διαφόρων μεθόδων εξαγωγής χαρακτηριστικών διάκρισης των φύλλων. Στον τομέα της Αναγνώρισης Προτύπων η εξαγωγή χαρακτηριστικών (feature extraction) είναι η διαδικασία ορισμού χαρακτηριστικών εικόνας τα οποία αντιπροσωπεύουν αποτελεσματικά τις πληροφορίες που είναι απαραίτητες για την ανάλυση και ταξινόμηση των εικόνων [VII]. Στόχος της εξαγωγής χαρακτηριστικών είναι η βελτίωση της απόδοσης και της αποτελεσματικότητας της ανάλυσης και της ταξινόμησης [VII]. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με [VII]: Αφαίρεση περιττών στοιχείων στα δεδομένα της εικόνων [VII]. Αφαίρεση της μεταβλητότητας στα δεδομένα εικόνων που έχουν μικρή ή αμελητέα αξία στην ταξινόμηση ή και αφαίρεση ολόκληρων των εικόνων αν κρίνεται αναγκαίο [VII]. Αναδιάρθρωση των δεδομένων (στο χώρο χαρακτηριστικών) με σκοπό τη βελτίωση της απόδοσης του ταξινομητή [VII]. Εξαγωγή χωρικών πληροφοριών (υφή, μέγεθος, σχήμα,... ) που είναι ζωτικής σημασίας για την ταυτοποίηση της εικόνας-στόχου [VII]. 37

Για την εξαγωγή χαρακτηριστικών διάκρισης των φύλλων θα χρησιμοποιηθούν 1907 εικόνες φύλλων από το dataset Flavia. Το λογισμικό που θα χρησιμοποιηθεί είναι το MATLAB. Αρχικά θα εισαχθεί το dataset με τις εικόνες στο φάκελο του MATLAB. Για την εξαγωγή χαρακτηριστικών από τις εικόνες του σετ δεδομένων θα χρησιμοποιηθεί η διαδικασία και οι εξισώσεις των χαρακτηριστικών που αναλύονται στο [6]. Οι συναρτήσεις του MATLAB που θα χρησιμοποιηθούν για την εξαγωγή των χαραστηριστικών είναι οι παρακάτω: o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o imread=διαβάζει μια εικόνα ανεξάρτητα από το αν αυτή είναι έγχρωμη ή ασπρόμαυρη zeros=δημιουργεί πίνακα του οποίου όλα τα στοιχεία είναι μηδενικά imshow=εμφανίζει την εικόνα reshape=αλλάζει τις διαστάσεις της εικόνας rgb2gray=μετατρέπει έγχρωμη εικόνα (RGB) σε γκρίζα (grayscale) im2double=μετατρέπει τα στοιχεία του πίνακα της εικόνας σε τύπου double strel=δημιουργεί μορφολογικά δομημένο στοιχείο imopen=πραγματοποιεί μορφολογικό άνοιγμα με τη βοήθεια του μορφολογικά δομημένου στοιχείου που έχει προκύψει με τη strel mean=υπολογίζει τη μέση τιμή std=υπολογίζει την τοπική τυπική απόκλιση της εικόνας skewness=επιστρέφει την ασυμμετρία της εικόνας kurtosis=επιστρέφει την κυρτότητα της εικόνας imsubtract=αφαιρεί μια εικόνα από μία άλλη ή αφαιρεί σταθερά από μια εικόνα graythresh= υπολογίζει ένα συνολικό κατώφλι που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μετατροπή μιας εικόνας με φωτεινότητα σε μία δυαδική εικόνα με τη μέθοδο im2bw που περιγράφεται παρακάτω im2bw=μετατρέπει μια γκρίζα εικόνα σε δυαδική με τη βοήθεια ενός κατωφλίου regionprops=μετράει τις ιδιότητες στις περιοχές της εικόνας bwarea=εντοπίζει την περιοχή των αντικειμένων σε μια δυαδική εικόνα bwmorph=εκτελεί μορφολογικές λειτουργίες στις δυαδικές εικόνες cat=ενώνει πίνακες που περιέχουν σύνολα δεδομένων entropy=υπολογίζει την εντροπία μιας γκρίζας εικόνας 38